Хімічний склад ґрунту

Тема№1

1. Вивітрювання - процес руйнування та зміни складу гірських порід, який відбувається під впливом атмосферних агентів (дія сонячних променів, коливання температури повітря, замерзання в порожнинах гірських порід води, хімічна дія вуглекислоти, а також організмів, які населяють поверхню Землі).

Виділяють три види вивітрювання.

Фізичне (механічне) вивітрювання викликає руйнування та розпад скельних гірських порід без зміни їхнього мінералогічного складу. Основну роль у цьому руйнуванні відіграють швидкі коливання температури (добові коливання температури в районах з різко-континентальним кліматом можуть досягати 40⁰С). Мінерали та гірські породи при нагріванні розширюються, а при охолодженні стискаються. Під впливом стискань та розтягань, що періодично змінюються, зчеплення між мінеральними зернами слабшають, і тим більше, чим крупніші зерна. На стійкість мінералів та гірських порід впливає і колір мінералів: темні нагріваються швидше, ніж світлі. У породі, яка складається із зерен різного складу (наприклад, граніт), зчеплення зерен слабшає швидше, ніж у породі, яка складається із зерен одного складу та кольору, тому що зерна різного кольору та складу мають різні коефіцієнти об'ємного та лінійного розширення.

Руйнуванню порід, викликаному зміною тепла та холоду, допомагає вода, яка замерзаючи збільшується в об'ємі і " розклинює" зерна породи.

Хімічне вивітрювання - реакція мінералів та порід з водою та хімічними речовинами, що містяться в ній. При цьому змінюється склад порід та відбувається розчинення водорозчинних гірських порід (кам'яна сіль, гіпс, доломіт та ін.).

Процеси хімічного вивітрювання відіграють основну роль при утворенні глинистих мінералів. Склад цих мінералів залежить не тільки від складу вихідної (материнської) породи а і від конкретних умов вивітрювання. Так, з основних (лужних) магматичних порід в умовах виносу магнію утворюється каолініт, а якщо магній не вимивається і залишається на місці, то монтморілоніт.

Як правило, процеси фізичного та хімічного вивітрювання протікають водночас, але з переважанням першого в районах з континентальним, сухим кліматом, а другого - в областях з великою кількістю атмосферних опадів.

Органічне (біологічне) вивітрювання - руйнування гірських порід внаслідок екзогенної діяльності живих організмів. Досить часто руйнівну роботу в гірських породах розпочинають низькоорганізовані представники органічного світу - бактерії. Підраховано, що на 1га верхнього шару ґрунту припадає 3-7 т бактерій. Вони підготовляють основу для появи мікрофлори (грибів), а потім для лишайників та мохів. Велику роботу з руйнування гірських порід виконують тварини, що риють (черв'яки, гризуни та ін.) і коріння рослин.

Виявлено, що в середньому на кожні 0, 5 га верхнього шару ґрунту припадає майже 150 тис. черв’яків, які підіймають до поверхні майже 150 т тонкоздрібненого ґрунту.

Продукти вивітрювання (у вигляді уламкового матеріалу), які утворюються при цьому і залишаються на місці свого утворення, називаються елювієм (лат. " елювіо" - залишаю на місці). Походження породи позначається у геологічному індексі та указується на геологічних картах і розрізах зліва від буквеного символу віку породи. Геологічний індекс елювія - " е". Наприклад, еQ - елювій четвертинного віку.

Елювій - своєрідний генетичний тип континентальних утворень, якому притаманний ряд характерних ознак: залягає на місці розпаду материнської породи; має нерівну кишенеподібну нижню межу, тому що заповнює усі тріщини в материнській породі; позбавлений ознак шаруватості; неоднорідний по вертикалі і в плані; ступінь змінювання материнської породи углиб зменшується.

Прикладом елювію, який з'явився при вивітрюванні граніту та інших кислих і середніх магматичних гірських порід, є каоліновий елювій. Для нього характерна вертикальна зональність (знизу уверх): незмінна материнська порода; материнська тріщинувата порода; уламки материнської породи, слабо каолінізовані, які переходять уверх у глинисту масу, що складена каолінітом та гідрослюдами з зернами кварцу і нерозкладеними зернами польових шпатів та листочками слюд.

Елювій може служити достатньо міцною основою для фундаментів, але внаслідок попадання побутових та виробничих вод у ньому можлива активізація хімічних процесів, що приводить до нерівномірних деформацій споруд.

2. Первинні мінерали є залишковим матеріалом після руйнування й вивітрювання магматичних порід. Представлені відносно крупними піщаними й гравійними частинками. Мають жорстку нерухому кристалічну решітку, практично не володіють вологоємністю, фізико-хімічною поглинальною здатністю, не набухають. При ґрунтоутворенні відрізняються нестійкістю, поступово руйнуються, за винятком окремих найбільш стійких. Склад первинних мінералів ґрунту мало залежить від особливостей ґрунтотворного процесу, а в основному – від особливостей материнської породи.

Багатство ґрунту первинними мінералами говорить про його відносну молодість. З часом уміст і число видів первинних мінералів поступово зменшуються, залишаються найбільш стійкі до вивітрювання, такі як кварц. Найбільш розповсюдженими первинними мінералами в породах та ґрунтах є кварц (SiO₂, 40-60% і більше), польові шпати (до 20%), зокрема, ортоклаз; амфіболи, піроксени й слюди. Кварц і польові шпати крупнозернисті, тому що вивітрювання їх іде повільно, вони формують піщану і пилувату фракцію ЕГЧ. Амфіболи, піроксени, слюди легко вивітрюються, в ґрунті їх досить мало у вигляді дрібних кристалів у дрібніших фракціях.

Стійкість до вивітрювання визначається природою мінералів, їх кристалічною структурою. Первинні мінерали володіють структурами іонного типу, іони в кристалах мінералів розташовані у вигляді геометрично правильної просторової решітки, що називається кристалічною, специфічної для кожного мінералу. Взаємне розміщення катіонів та аніонів у кристалічній решітці обумовлюється їх об'ємами або радіусами. Кількість іонів протилежного знака, що оточують даний іон, називається координаційним числом. Чим більший радіус іона, тим більше навколо нього може розміститися протилежно заряджених іонів, без взаємного, дотику. Координаційне число визначає форму оточення, або координацію навколо іона, а значить, і основний елемент структури, характер елементарної чашечки мінералу. Координація трикутника має координаційне число 3; тетраедра – 4; октаедра – 6; куба – 8. Головним елементом структури одних із найбільш розповсюджених у ґрунті кисневих сполук кремнію є кремній-кисневий тетраедр, біля вершини якого розміщуються чотири іони кисню, а в центрі – іон кремнію.

Мінерали вторинні (рос. минералы вторичные, англ. secondary minerals; нім. Sekundä rminerale n pl) – мінерали, що утворилися внаслідок хім. вивітрювання або заміщення мінералів, що раніше виділилися. Зустрічаються часто, особливо в поверхневих зонах земної кори, де утворюються при процесах гіпергенезу. Перехід первинних мінералів у М.в. супроводжується виносом і обміном речовини з навколишнім середовищем.

3. Грунтоутворюючий процес, або грунтоутворення – це складний природний процес утворення грунтів із гірських порід, їх розвиток, функціонування і еволюція під дією комплексу факторів грунтоутворення.

Грунтоутворення починається з моменту поселення живих організмів на скельних породах або продуктах їх вивітрювання. Первинний грунтоутворюючий процес, по суті, збігається з вивітрюванням, в цей період грунт фізично суміщений з корою вивітрювання. В подальшому вивітрювання і грунтоутворення розділяються в просторі і часі: грунт формується у верхній частині кори вивітрювання гірських порід. В абіотичний період розвитку земної поверхні вивітрювання відбувалось без грунтоутворення. Існувала кора вивітрювання, але грунту не було. Фактори й агенти вивітрювання і грунтоутворення одні й ті самі.

Грунтоутворення – один з окремих процесів трансформації земної речовини в зоні гіпергенезу, в спеціальних умовах педосфери. Грунтоутворення в своєму розвитку проходить ряд стадій. Характер проходження окремих стадій грунтоутворення зумовлений комплексом факторів у різних природно-кліматичних зонах земної кулі.
Стадія початкового (або первинного) грунтоутворення на скельних гірських породах, має назву первинного грунтоутворення. Вона досить довга, оскільки властивості грунтового тіла, характерні для зрілого грунту, ще не сформувалися, характеризується малою потужністю субстрату, який охоплюється грунтоутворенням, повільною акумуляцією елементів грунтової родючості. Профіль дуже слабко диференціюється на генетичні горизонти. Початкове грунтоутворення змінюється стадією розвитку грунту, яка протікає з наростаючою інтенсивністю, аж до формування зрілого грунту з характерним профілем і комплексом властивостей.
Стадія рівноваги – стан клімаксу, протягом якого підтримується динамічна рівновага грунту з середовищем, тобто з існуючим комплексом факторів грунтоутворення.
На певному етапі стадія рівноваги змінюється еволюцією грунту. Еволюція грунту може йти у різних напрямках: шляхом нарощування потужності грунту або шляхом її зменшення; шляхом засолення грунту або його розсолення; шляхом деградації грунтової родючості або її нарощування.
Розвиток і еволюція грунтів і грунтового покриву в цілому на земній поверхні протікає не випадково, а у відповідності з загальною історією ландшафту. Вона визначається глобальними геологічними процесами (тобто кліматичними, тектонічними та морфоструктурними процесами).
Грунтоутворення розглядається як співвідношення процесів виносу і акумуляції речовин (виносяться одні речовини, а накопичуються інші).

Абсолютна акумуляція речовин при грунтоутворенні – це надходження речовин до грунтоутворюючої породи з атмосфери чи гідросфери і накопичення їх у грунті, що формується.

У грунтах накопичується вуглець (фотосинтез – утворення біомаси – відмирання біомаси – розклад – гуміфікація – гумусонакопичення), азот (азотфіксація – поглинання організмами – відмирання біомаси – нітрифікація, амоніфікація), водорозчинні солі, гіпс, вапно, сполуки заліза, кремнезем (із грунтових вод, особливо при випітному водному режимі).

Відносна акумуляція речовин при грунтоутворенні – це залишкове накопичення в результаті виносу яких-небудь інших речовин.

Наприклад, виніс лугів, лужних земель і кремнезему може відносно збагачувати грунт окислами алюмінію. Відносна акумуляція речовин – це завжди наслідок елювіального процесу. Під останнім розуміють низхідне переміщення речовин в грунті при промивному режимі і частковий або повний винос в нижню товщу або за її межі ряду сполук, солей лугів і лужноземельних металів. Елювіюванню можуть також піддаватися сполуки заліза, алюмінію, марганцю, фосфору, сірки і в деяких випадках кремнію (при алітизації). Елювіюванню можуть піддаватися і тонкодисперсні мінерали.
Винос і акумуляція речовин при грунтоутворенні є наслідком взаємодії малого біологічного і великого геологічного кругообігу речовин на земній поверхні. Результатом біологічного кругообігу речовин є біологічна акумуляція в грунтах вуглецю, азоту й інших біофілів. Результат геологічного кругообігу – збіднення грунту тими чи іншими елементами (елювіальний процес) та збагачення деякими елементами (засолення, кіркоутворення). Грунтоутворення – це, по суті, сукупність явищ перетворення і переміщення речовин та енергії в границях педосфери Землі.

Взаємодія біологічного і геологічного кругообігу речовин проявляється через серію протилежно напрямлених процесів, суперечливих явищ, з яких складається грунтоутворення. До них належить:
1) руйнування первинних і вторинних мінералів – неосинтез мінералів.
2) біологічна акумуляція елементів у грунті – споживання елементів із грунту організмами;
3) гідрогенна акумуляція елементів у грунті – геохімічний виніс елементів із грунту;
4) розклад органічних речовин – синтез нових органічних сполук;
5) поглинання іонів з розчину твердою фазою – перехід іонів з твердої фази в розчин;
6) розчинення речовини – осадження речовин;
7) пептизація колоїдів – коагуляція колоїдів;
8) зволоження – висихання;
9) окиснення – відновлення;
10) нагрівання – охолодження;
11) азотфіксація – денітрифікація.

Багато з цих протилежних процесів мають циклічний характер, пов'язаний із загальною циклічністю природних явищ. Можна виділити добові, сезонні, річні, багаторічні, вікові цикли грунтоутворення. Вони формують режими грунтоутворення, специфічні для кожного грунту.
Перерахованим протилежним процесам, з яких складається грунтоутворення, О.А.Роде дав назву загальні грунтоутворюючі процеси. Вони відбуваються у всіх грунтах, але в різному якісному і кількісному прояві.
Він також виділив макро- і мікропроцеси. Перші охоплюють весь грунтовий профіль, другі являють собою мінеральні і органічні перетворення в межах ізольованих ділянок грунтового профілю.

Хімічний склад ґрунту